潜孔冲击器是当今不可或缺的凿岩工具,它主要通过高压气体驱动内部活塞做高频高速的往复运动,给钎头提供轴向冲击力实现破岩和钻进,目前广泛用于冶金、化工、水利、矿山、基建等领域。无缸潜孔冲击器是继有缸潜孔冲击器之后发明并发展起来的一种新型无阀式潜孔冲击器,具有结构简单、高效节能、适应范围广等特点。为了能准确计算无缸潜孔冲击器的性能参数,须考虑正常钻进工况下前、后气室中的气体与活塞之间的非线性动力学关系,建立能够描述无缸潜孔冲击器工作过程的动力学模型,因此需要深入无缸潜孔冲击器的非线性动力学与性能分析研究。本文以无缸潜孔冲击器为研究对象,系统地分析了无缸潜孔冲击器的工作原理和结构特点,并建立了非线性动力学模型,分析了气体参数和关键结构参数对冲击性能的影响规律;建立了无缸潜孔冲击器的非定常流固耦合模型,揭示了其气动特性规律;设计并完成了无缸潜孔冲击器的室内试验,对试验数据和理论计算结果进行了对比分析,验证了理论模型的正确性。本文的研究成果为无缸潜孔冲击器的设计和优化提供理论基础和计算方法,为我国矿山装备和工具的研究提供理论支持和技术手段。本文的主要研究内容如下:基于无缸潜孔冲击器的工作原理,结合该工具的配气机构结构,按照活塞的运动形式（返程、冲程、冲击回弹）和前、后气室的状态（充气、排气、膨胀、压缩）,将潜孔冲击器的一个运动周期分为11个阶段,并分别对各阶段的活塞运动状态和前、后气室内的气体状态进行了系统的分析;对潜孔冲击器的冲击破岩过程进行分析,梳理并总结其主要性能参数,同时建立了对应的计算方程。针对气室的充气和排气阶段,基于流体力学、计算流体力学,考虑压力、温度变化对气体密度的影响,利用二阶Mac Cormack有限差分格式,结合充气和排气阶段的边界条件,建立了潜孔冲击器气室的瞬变流模型;针对气室的膨胀和压缩阶段,考虑活塞的运动对气室体积的影响,基于气体绝热方程,建立了冲击器气室中气体的绝热模型;针对活塞与钎头的冲击回弹过程,基于应力波传递理论,考虑活塞、钎头和岩石的材料特性,建立了活塞与钎头的冲击回弹模型;结合活塞的运动状态方程,联立上述三个模型,根据潜孔冲击器一个运动周期内的11个阶段中的活塞与气室状态,建立了无缸潜孔冲击器全过程非线性动力学模型;为验证模型,以1.5MPa气源压力作用下的6吋无缸潜孔冲击器为例,利用非线性动力学模型进行计算,得到气室压力、活塞加速度、速度和位移等参数结果,对比发现各参数的数值变化规律与工作原理和运动学分析结论吻合。基于冲击器的非线性动力学模型,结合实际冲击器的工作压力区间,通过正交试验法和响应面分析法,分别对气体参数（压力、温度和进气效率）和结构参数（配气长度、气室等效作用面积和活塞质量）进行多因素多目标分析,得到了各参数关于冲击功和冲击频率的影响程度和规律;基于响应面分析结果,通过多项式拟合,建立了结构参数关于冲击功和冲击频率的计算模型,与非线性动力学模型计算结果对比发现,误差分别为0.1876%和1.79%,计算精度满足要求。基于无缸潜孔冲击器的结构与工作参数,考虑气体流场与活塞之间的耦合作用,采用有限元法和动网格6DOF方法,建立了冲击器的非定常流固耦合模型。通过该模型模拟了活塞返程与冲程的流固耦合过程,并对不同阶段下的冲击器内部静压云图进行了分析,验证了上文中的冲击器工作原理和运动学规律结论。针对同一算例,利用非定常流固耦合模型与非线性动力学模型分别进行计算,对比二者结果发现:气室压力的变化规律基本一致,前气室和后气室最大压力数值的误差分别为1.8%和2.2%,在合理范围内。为进一步对无缸潜孔冲击器的非线性动力学模型进行验证,针对4~1/2吋的无缸潜孔冲击器建立室内试验;基于冲击器的试验原理设计了对应的试验方案,试验过程中记录无缸潜孔冲击器的振动数据;将试验过程中采集的振动数据经过处理转化为冲击频率,与非线性动力学模型计算结果进行对比,发现二者结果基本一致。